[发明专利]具有氧化还原非无辜配体的配位化合物和含有它的液流电池

说明书

本发明用于液流电池和其它电化学系统的电解质溶液可含有能够在每个氧化还原循环中转移一个电子以上的活性材料。这样的活性材料可包含含金属中心和至少一个氧化还原非无辜配体的配位化合物。因此，液流电池可包含在其中具有第一电解质溶液的第一半电池，其中第一电解质溶液含有具有与金属中心配位的至少一个氧化还原非无辜配体的配位化合物。特定的氧化还原非无辜配体可包括带有醌官能团的那些，例如带有醌官能团的取代的儿茶酚化物。一些活性材料可包含组合物，其含有具有与金属中心配位的至少一个氧化还原非无辜配体的配位化合物，其中所述至少一个氧化还原非无辜配体是带有醌官能团的取代儿茶酚化物或其盐。

相关申请的交叉参考

不适用。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用

技术领域

本公开总体上涉及能量存储，并且更具体地，涉及在电解质溶液内含有配位化合物作为活性材料的液流电池和其它电化学系统。

背景技术

电化学能量存储系统，例如电池、超级电容器等，已被广泛提议用于大规模能量存储应用。为此目的已经考虑了各种电池设计，包括液流电池。与其它类型的电化学能量存储系统相比，液流电池可能是有利的，特别是对于大规模应用而言，因为它们能够使得功率密度和能量密度的参数彼此互不相干。

液流电池一般包括在相应的电解质溶液中的负极的和正极的活性材料，它们在含有负极和正极的电化学电池中分别流过膜或隔膜的相对侧。液流电池通过在两个半电池内部发生的活性材料的电化学反应来充电或放电。用于本文中时，术语“活性材料”、“电活性材料”、“氧化还原活性材料”或其变体将同义地是指在液流电池或类似的电化学能量存储系统的运行期间(即，在充电或放电期间)经历氧化态变化的材料。虽然液流电池保持着对于大规模能量存储应用的重要前景，但它们经常受到能量存储性能(例如，往返能量效率)达不到最佳和循环寿命有限等因素的困扰。尽管进行了大量的研究工作，但尚未开发出商业上可行的液流电池技术。

金属基活性材料可能经常被希望用于液流电池和其它电化学能量存储系统。虽然无束缚的金属离子(例如，氧化还原活性金属的溶解盐)可用作活性材料，但对于此目的可能经常更希望使用配位化合物。用于本文中时，术语“配位复合物”、“配位化合物”、和“金属-配体复合物”将同义地是指具有至少一个在金属中心和供体配体之间形成的共价键的化合物。金属中心在电解质溶液中可以在氧化形式和还原形式之间循环，其中氧化形式和还原形式取决于配位化合物所存在的特定半电池而表示完全充电或完全放电的状态。因为许多配位化合物的氧化还原循环涉及在金属中心仅转移一个电子(即，金属氧化态的变化为+1或-1)，所以可以存储的电荷量经常是有限的，特别对于大规模应用而言。也就是说，每单位配位化合物的转移电子比率以摩尔计是低的，通常为1:1比率。由于在电解质溶液中的溶解度经常是配位化合物和其他金属基活性材料的限制性参数，因此通过改变活性材料的浓度来增加给定液流电池构造的能量密度的机会可能极少。即使当配位化合物在电解质溶液中以接近饱和浓度使用时，由于以摩尔计的每单位活性材料的转移电子比率低，能量密度仍然可能保持不理想的差。此外，由于沉淀顾虑，在接近活性材料的饱和浓度下运行可能是不稳定的。沉淀不仅可能通过降低可用活性材料的量来降低液流电池的能量密度，而且由于潜在阻塞循环路径和对其他电池组分的损害，沉淀也可能是成问题的。

鉴于前述内容，用于促进液流电池中能量密度值提高的活性材料在本领域中将是非常理想的。本公开满足了前述需求并且还提供了相关优点。

发明内容

在一些实施方式中，本公开提供了液流电池，其具有在其中含有第一电解质溶液的第一半电池，其中所述第一电解质溶液含有配位化合物，所述配位化合物具有与金属中心配位的至少一个氧化还原非无辜配体(non-innocent ligand)。